CN105606272A

CN105606272A - 三维测力传感器和应用三维测力传感器的手术微器械指尖

Info

Publication number: CN105606272A
Application number: CN201510727264.1A
Authority: CN
Inventors: 于凌涛; 闫昱晟; 王正雨; 王文杰; 杨景; 任思旭; 于晓砚; 谷庆; 邵兆稳; 安琪
Original assignee: Harbin Engineering University
Current assignee: Harbin Engineering University
Priority date: 2015-10-30
Filing date: 2015-10-30
Publication date: 2016-05-25
Anticipated expiration: 2035-10-30
Also published as: CN105606272B

Abstract

本发明提供一种三维测力传感器和应用三维测力传感器的手术微器械指尖，包括微器械指尖夹持部分、三维测力传感器部分、微器械指尖转动关节部分，三维测力传感器处于中间与其余两部分相连，达到较高的集成度。三维测力传感器由两个相同等截面E型梁呈空间垂直构成，除中间公共梁外，与微器械指尖夹持部分相连的两个梁，水平的四个面上粘贴四个应变片组成一个全桥电路测量x轴向外力，竖直四个侧面上的应变片组成另外一个全桥电路测量z轴向外力；与微器械指尖转动关节相连的两个梁的竖直四个表面粘贴的应变片组成一个全桥电路测量y轴向外力，本发明集成度高，结构简单，空间利用率高，维间耦合小，更适合外科手术的应用。

Description

三维测力传感器和应用三维测力传感器的手术微器械指尖

技术领域

本发明涉及机器人微创外科手术技术领域，尤其涉及一种三维测力传感器和应用三维测力传感器的手术微器械指尖。

背景技术

机器人辅助微创外科手术是指医生借助于各种视觉图像的引导，操纵手术机器人，将手术微器械沿着事先规划好的手术路径，经过小切口送入病人体内进行观察或治疗，从而最大程度地减小手术创伤、减轻痛苦、缩短术后恢复时间等。微创外科手术机器人的运用解决了传统的手术过程中存在医生工作强度大、易疲劳、手术精度低、安全性差等缺点，更提高了手术的质量，能够克服传统微创伤手术的缺陷，可以拓宽微创手术的范围，也可以进行手术仿真，还可以利用网络技术进行远程手术等。

对于当前大部分微创手术机器人系统而言，无论是已经商业化，还是处在临床或实验室阶段，其构型与控制等关键技术已经达到比较成熟水平，利用机器人辅助能够顺利实现微创手术，然而，这些手术机器人普遍存在的问题是缺少完备的力觉检测功能，从而使得手术过程较为繁琐，手术的准备时间也较长等，即智能化和自动化水平较低。手术机器人微器械与人体组织器官之间的力觉交互信息在微创外科手术过程中具有极其重要的作用，它能够帮助医生在手术过程中时刻感知组织器官的硬度，评估医生操作的力度，通过组织器官与手术微器械指尖双方之间的力觉交互可以使得医生施加适当的操作力，其中包括与组织的多维触碰力和微器械指尖的夹持力，从而大幅度提高手术操作的效率、成功率以及手术后的效果。因此深入研究微创外科手术机器人的结构，提高手术微器械的智能化是十分必要的课题。

目前国内外关于微器械力传感器的研究成果主要集中在将测力元件或传感器安装在微器械的导杆或腕部上，例如专利号为US20100313679的专利书提出的带有模块化力传感器的手术微器械的示意图，其测力元件粘贴在手术微器械的导管壁上，又如专利号为CN201120130575.7的专利书提出的手术微器械三维力传感器的示意图，其传感器安装在微器械指尖与腕部之间的连接件内，虽然可实现测力功能，但这就使得测力传感器与微器械指尖距离较大，信号受外界干扰较严重，测量误差大，不能真实的反应微器械指尖末端真实的测力情况。

发明内容

本发明的目的是为了集成度高，测量精度高而提供一种三维测力传感器和应用三维测力传感器的手术微器械指尖。

本发明的目的是这样实现的：一种三维测力传感器，包括两个结构相同的E型等截面梁，且两个E型等截面梁以中间梁为公共梁呈空间垂直设置，两个E型等截面梁的其余四个梁分别是梁一至梁四，梁一和梁二的上表面、下表面、外侧面和内侧面上以及梁三和梁四的上表面和下表面上分别贴有应变片，梁一上表面、梁一下表面、梁二上表面和梁二下表面上的应变片构成测量X方向外力的等臂全桥电路，梁三上表面、梁三下表面、梁四上表面和梁四下表面上的应变片构成测量Y方向外力的等臂全桥电路，梁一外侧面、梁一内侧面、梁二外侧面和梁二内侧面上的应变片构成测量Z方向外力的等臂全桥电路。

一种应用所述的三维测力传感器的手术微器械指尖，包括三维测力传感器、微器械指尖夹持部分和微器械指尖转动关节部分，三维测力传感器的梁一、梁二的端部与微器械指尖夹持部分连接，三维测力传感器的梁三、梁四的端部与微器械指尖转动关节部分连接。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：1.本发明弹性体结构简单，尺寸小满足需求，灵敏度高，应变敏感区处于单一表面，分辨率高，线性度好，维间耦合小，具有足够的刚度，可靠性高，测量范围大。2.本发明整体体积小，设计巧妙，合理利用空间，安装方便。3.本发明微器械指尖夹持部分与三维测力传感器部分为一体，集成度高，避免了零件连接产生的摩擦等的影响。4.本发明应变片粘贴方便，可构成多组电桥，提高测量精度，应变片引线方便连接，容易布线。

附图说明

图1是本发明的立体结构示意图；

图2是本发明的三维坐标示意图；

图3是本发明的三维测力传感器的示意图；

图4是本发明的三维测力传感器的具体结构示意图一；

图5是本发明的三维测力传感器的具体结构示意图二；

图6是本发明的应变片所组成的等臂全桥电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

结合附图1，本发明是一种集成三维测力传感器的手术微器械指尖，其组成包括：微器械指尖夹持部分1，三维测力传感器部分2，微器械指尖转动关节部分3，微器械指尖夹持部分主要实现夹持功能以及施加外力，三维力传感器检测手指钳末端所受的三维外力，转动关节实现指尖的开合运动。

结合附图2、附图3，本发明由两个E型等截面梁垂直交汇构成，两E型的中间梁为公共梁，连接两个E型结构，除中间公共梁之外，三维力传感器弹性体由4个等截面梁构成，即梁一L1、梁二L2、梁三L3与梁四L4，梁1和梁2的一端与微器械指尖夹持部分相连接，另一端悬空，同样，梁3和梁4的一端与指尖转动环节相连，另一端悬空，中间公共梁尺寸进行特殊设计，从而保证梁的刚度。

结合图4和图5，三维力传感器弹性体，当延附图2中坐标系x轴负向施加一定外力时，梁1与梁2变形较小，梁3与梁4变形较大，即面2-6与面2-8发生拉伸变形，面2-5与面2-7发生压缩变形，该四个面上的四个应变片组成一个全桥电路进而测出x轴方向的外力；当y轴正向施加外力时，梁3与梁4变形较小，梁1与梁2变形较大，此时面2-1与面2-3发生拉伸变形，面2-2与面2-4发生压缩变形，该四个面上的四个应变片组成一个全桥电路进而测出y轴方向的外力，此时面2-9、面2-10、面2-11与面2-12变形相同，且同时延z轴向y轴方向发生弯曲变形；当z轴正向施加外力是，梁1与梁2变形较大，此时面2-9、面2-10、面2-11与面2-12同时发生拉伸变形，应变片组成的全桥电路负责测量z轴方向的外力。

结合附图6，为本发明传感器选用的等臂桥式电路原理图，由于测量不同方向外力所搭建电桥的应变片组是相同规格的，因此现以测y向外力为例进行阐述，应变片R₁粘贴在面2-1正中心处、应变片R₂粘贴在面2-2上、应变片R₃粘贴在面2-3上以及应变片R₄粘贴在面2-4上用来测量y向外力，粘贴的一组应变片构成一个电桥测量一个方向的外力，同理，测量x向外力和z向外力的应变片组也是这样粘贴的，具体粘贴规则如下文所述，电桥中的应变片阻值分别为R₁、R₂、R₃、R₄，ΔR₁、ΔR₂、ΔR₃、ΔR₄分别为对应应变片电阻的变化值，电桥中应变片R₁两端节点为节点C与节点A，应变片R₂两端节点为节点A与节点D，应变片R₃两端节点为节点D与节点B，应变片R₄两端节点为节点B与节点C，其中应变片R1与R2串联，应变片R₃与R₄串联，串联的两条支路并联在节点C与节点D之间，而节点C、D两端电压U₀为电桥的输入供电电压，节点A、B两端电压U_sc为电桥的输出测量电压，三个电桥采用并联方式进行电路的搭建，即每个电桥的输入电压值U₀相同，而输出测量电压U_sc不同，具体公式推导如下文所述。

材料的选择：

由于该手术微器械指尖集成三维测力传感器，考虑加工强度，同时保证指尖的刚度，材料选择硬铝合金2A12(LY12)，材料属性：弹性模量E＝72MGa，泊松比μ＝0.33，密度ρ＝2780kg/m³，E型梁的截面为1mm正方形，长度为5mm，弹性体长度为6mm，宽度和厚度均为4mm；传感器应变片选用MicroInstruments公司生产的SS-060-033-500PU-S4，硅型半导体应变计，S4型为4个电阻值接近温度系数相同的可实现组内温度补偿功能的一组应变片，4个应变片组成全桥电路，测量一维力，提高测量精度，同时该应变计尺寸约为长1.5mm，宽0.4mm，可在弹性体梁上进行粘贴，灵敏度系数较高为K＝140，在E型梁的表面粘贴三组应变片共计12个，同一组应变片的粘贴位置相同，且呈现上下表面对称粘贴，大大提高测量精度，两个微器械指尖的传感器弹性体结构相同，延装配轴线呈对称，实现互相补偿功能，降低外界干扰影响。

桥式电路的搭建：

考虑到本发明结构尺寸精细，测量分辨率较高，同时避免外界干扰，因此选择等臂全桥电路进行搭建，测量同一方向外力的4个应变片构成一个全桥电路，应变片R₁与R₃极性相同，R₂与R₄极性相同，且R₁与R₂极性相反，组内可进行温度补偿，同时抗外界干扰强，本发明的三维力传感器弹性体E型梁结构空间垂直，实现几何解耦，维间力耦合小，各全桥电路实现各自外力的测量，电路干扰小，且空间利用率较高。如附图5所示，搭建的其中一个等臂全桥电路可由下述公式进行说明：

U_{s c} = \frac{U_{0} R_{1}}{(R_{1} + R_{2})} - \frac{U_{0} R_{3}}{(R_{3} + R_{4})}

U_{s c} = \frac{R_{1} R_{3} - R_{2} R_{4}}{(R_{1} + R_{2}) (R_{3} + R_{4})} \cdot U_{0}

实验开始时，电阻R₁＝R₂＝R₃＝R₄＝R，电桥处于平衡状态R₁R₃＝R₂R₄，当电桥各桥臂应变片电阻都发生变化时，输出电压即为各桥臂电阻变化量的函数，即U_sc＝f(ΔR₁，ΔR₂，ΔR₃，ΔR₄)，对上式进行全微分得：

\begin{matrix} {dU}_{s c} = \frac{\partial U_{s c}}{\partial R_{1}} {dR}_{1} + \frac{\partial U_{s c}}{\partial R_{2}} {dR}_{2} + \frac{\partial U_{s c}}{\partial R_{3}} {dR}_{3} + \frac{\partial U_{s c}}{\partial R_{4}} {dR}_{4} \\ = [\frac{R_{2}}{{(R_{1} + R_{2})}^{2}} {dR}_{1} - \frac{R_{1}}{{(R_{1} + R_{2})}^{2}} {dR}_{2} + \frac{R_{4}}{{(R_{3} + R_{4})}^{2}} {dR}_{3} - \frac{R_{3}}{{(R_{3} + R_{4})}^{2}} {dR}_{4}] \cdot U_{0} \\ = [\frac{R_{1} R_{2}}{{(R_{1} + R_{2})}^{2}} \frac{{dR}_{1}}{R_{1}} - \frac{R_{2} R_{1}}{{(R_{1} + R_{2})}^{2}} \frac{{dR}_{2}}{R_{2}} + \frac{R_{3} R_{4}}{{(R_{3} + R_{4})}^{2}} \frac{{dR}_{3}}{R_{3}} - \frac{R_{4} R_{3}}{{(R_{3} + R_{4})}^{2}} \frac{{dR}_{4}}{R_{4}}] \cdot U_{0} \end{matrix}

将代数上式得：其中K表示灵敏度，ε表示应变梁粘贴的应变片发生的应变值，通过以上公式即可实现微器械指尖三维外力的测量。

本发明设计出了新型三维测力传感器弹性体，且将其集成在微创外科手术微器械指尖上，更适合于手术微器械的实际应用。

本发明的目的在于提供一种应用于机器人辅助微创外科手术的集成三维测力传感器的手术微器械指尖，使手术微器械在拥有夹持功能的基础上实现三维测力功能，该机构具有设计巧妙，集成度高，测量精度高等优点。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

本发明集成三维测力传感器的手术微器械指尖，其组成包括：微器械指尖夹持部分1，三维测力传感器部分2，微器械指尖转动关节部分3，如图1所示。

三维力传感器结构如图2所示，该三维测力传感器结构由两个结构相同的E型梁垂直构成，两个E性梁由中间梁连接，如图3所示，E型梁截面为1mm正方形，包括四个等截面梁，即梁一L1、梁二L2、梁三L3和梁四L4，如图4所示，梁1包括上表面2-1、下表面2-2、外侧面2-9和内侧面2-10，梁2包括上表面2-3、下表面2-4、内侧面2-11和外侧面2-12，其中面2-1与面2-3为同一竖直面，面2-2与面2-4在同一竖直面，面2-9、2-10、2-11及2-12为互相平行的侧面；梁3包括上表面2-5和下表面2-6，梁4包括上表面2-7和下表面2-8，其中面2-5与面2-7在同一水平面，面2-6与面2-8在同一水平面。本设计采用应变片粘贴在E型梁表面方式，通过梁在外力作用下发生拉伸与压缩变形进而实现测量外力功能，面2-1、面2-2、面2-3与面2-4各粘贴一个应变片为一组构成一个电桥，测量y轴方向外力，面2-5、面2-6、面2-7与面2-8各粘贴一个应变片为一组构成一个电桥，测量x轴方向外力，面2-9、面2-10、面2-11与面2-12各粘贴一个应变片为一组构成一个电桥，测量z轴方向外力，为了保证测量更加接近真实情况，微器械的两个指尖采用相同构型，延中心轴呈对称分布结构，即粘贴在两个微器械指尖上的两组应变片实际测量相同一个方向的外力，从而保证两个微器械指尖实现互相补偿作用。

上述所述的三维力传感器部分包括两个E型梁，其中由梁1与梁2构成的E型梁与微器械指尖夹持部分1相连，由梁3与梁4构成的E型梁与微器械指尖转动关节部分3相连。

本发明涉及一种机器人辅助微创外科手术用的医疗器械，其中手术微器械指尖主要由微器械指尖夹持部分、三维测力传感器部分、微器械指尖转动关节部分组成，三部分为统一整体，三维测力传感器处于中间与其余两部分相连，达到较高的集成度。三维测力传感器由两个相同等截面E型梁呈空间垂直构成，除中间公共梁外，与微器械指尖夹持部分相连的两个梁，水平的四个面上粘贴四个应变片组成一个全桥电路测量x轴向外力，竖直四个侧面上的应变片组成另外一个全桥电路测量z轴向外力；与微器械指尖转动关节相连的两个梁的竖直四个表面粘贴的应变片组成一个全桥电路测量y轴向外力，本发明集成度高，结构简单，空间利用率高，维间耦合小，更适合外科手术的应用。

手术微器械指尖包括微器械指尖夹持部分1，三维测力传感器2，微器械指尖转动关节3，三维测力传感器处于微器械指尖夹持部分与转动关节之间，且三个组成部分为统一的整体结构，指尖夹持部分实现夹持功能，转动关节实现微器械指尖单自由度开合运动。

三维测力传感器由两个结构相同的E型等截面梁呈空间垂直构成，E型的中间梁为公共梁，每个E型梁由两个相同等截面梁与微器械指尖夹持部分或手指钳转动关节相连，梁一L1和梁二L2与手指钳夹持部分相连，梁三L3和梁四L4与微器械指尖转动关节相连。

梁一L1包括上表面2-1与下表面2-2、外侧面2-9与内侧面2-10；梁二L2包括上表面2-3与下表面2-4、内侧面2-11与外侧面2-12；梁三L3包括上表面2-5与下表面2-6；梁四L4包括上表面2-7与下表面2-8，面2-1、面2-2、面2-3与面2-4上的应变片组成一个全桥电路测量x轴方向外力；面2-5、面2-6、面2-7与面2-8上的应变片组成另外一个全桥电路测量y轴方向外力；面2-9、面2-10、面2-11与面2-12上的应变片组成一个全桥电路测量z轴方向外力，同一组内应变片在梁表面的粘贴位置相同，

传感器测量电路采用等臂全桥电路，电路中相对的应变片的极性相同，相邻的应变片的极性不同。

Claims

1.一种三维测力传感器，其特征在于：包括两个结构相同的E型等截面梁，且两个E型等截面梁以中间梁为公共梁呈空间垂直设置，两个E型等截面梁的其余四个梁分别是梁一至梁四，梁一和梁二的上表面、下表面、外侧面和内侧面上以及梁三和梁四的上表面和下表面上分别贴有应变片，梁一上表面、梁一下表面、梁二上表面和梁二下表面上的应变片构成测量X方向外力的等臂全桥电路，梁三上表面、梁三下表面、梁四上表面和梁四下表面上的应变片构成测量Y方向外力的等臂全桥电路，梁一外侧面、梁一内侧面、梁二外侧面和梁二内侧面上的应变片构成测量Z方向外力的等臂全桥电路。

2.一种应用权利要求1所述的三维测力传感器的手术微器械指尖，其特征在于：包括三维测力传感器、微器械指尖夹持部分和微器械指尖转动关节部分，三维测力传感器的梁一、梁二的端部与微器械指尖夹持部分连接，三维测力传感器的梁三、梁四的端部与微器械指尖转动关节部分连接。